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문제 정의
- 본 연구에서는 인체에 대전된 정전기에 의해서 발생하는 ESD에 대한 효과적인 보호대책의 수립에 필요한 위한 기초자료를 얻기 위하여 정전기 방전전압 과 전류의 특성을 분석하였다. 즉, 전자기기의 정전 기 장해를 방지할 수 있는 보호장치의 설계에 있어 핵심적 요소인 정전기 방전전압의 크기와 상승시간의 통계적 분석을 중점적으로 연구하였다.
제안 방법
- C1 은 인체에 대전된 전하에 의해 절연손잡이 금속부분에 유도되는 전하를 결정하는 정전용량이며, LI, R2, C2는 각각 인체와 절연손잡이 드라이버 금속부분의 인덕턴스와 저항, 커패시터를 고려한 값이 고, 측정부의 C3과 R3은 각각 검출전극과 외측 도체 사이에 존재하는 정전용량과 검출임피던스를 나타낸다.[9~11] 급준성 펄스파의 지속시간은 주로 C2에 의존하는 것을 시뮬레이션을 통하여 알았다.
- 일상의 생활환경 및 의복착용과 활동 그대로를 최대한 모의하였으며, 정전기가 많이 발생하는 털옷, 나일론, 모직의 의북을 입고, 구두를 착용하고 활발하게 움직인 후 정전기 방전전압을 측정하였다. 각각의 실험조건에서 30회씩의 정전기 방전전압을 측정하고, 피크값과 상승시간 등의 파형 파라미터를 분석하였다. 또한 인체의 대전상태와 측정계 회로를 포함한 전기적 등가회로를 구하고, Pspice 프로그램을 이용하여 계산한 방전전압을 측정 파형과 비교 .
- 손에 쥔 절연손잡이가 있는 드라이버를 통한 방전 시의 등가회로는 절연손잡이 때문에 방전이 발생할 때 인체에 충전된 전하가 빠져나가지 못하므로 방전으로 소멸되는 전하는 인체에 충전된 전하에 의해 절연손잡이 드라이버의 금속부분에 유도된 전하만을 고려하여야 되므로 인체를 통한 직접 방전의 경우와 는 다르다. 따라서 등가 커패시턴스를 비롯해서 다른 회로요소의 값이 작은 R-L-C 직렬회로로 구성하였다. C1 은 인체에 대전된 전하에 의해 절연손잡이 금속부분에 유도되는 전하를 결정하는 정전용량이며, LI, R2, C2는 각각 인체와 절연손잡이 드라이버 금속부분의 인덕턴스와 저항, 커패시터를 고려한 값이 고, 측정부의 C3과 R3은 각각 검출전극과 외측 도체 사이에 존재하는 정전용량과 검출임피던스를 나타낸다.
- 각각의 실험조건에서 30회씩의 정전기 방전전압을 측정하고, 피크값과 상승시간 등의 파형 파라미터를 분석하였다. 또한 인체의 대전상태와 측정계 회로를 포함한 전기적 등가회로를 구하고, Pspice 프로그램을 이용하여 계산한 방전전압을 측정 파형과 비교 . 검토 하였다.
- 따라서 본 연구에서는 센서의 검출전극과 동축케 이블의 접속점 사이를 그림 1에 나타낸 바와 같은 원추형 동축구조로 하였으며, 검출임피던스는 오실로 스코프의 입력임피던스와 정합시킬 목적으로 50 [Q] 터미네이터를 사용하였으며, 측정계의 주파수대역은 DC~400[MHd이다. 또한 정전기 방전시 전하의 이동에 의한 전류를 측정하기 위해 검출임피던스의 리드선이 고주파용 변류기(CT-2)를 관통하도록 설치하였다.
- 본 연구에서 제시한 손을 통한 정전기 방전에 대한 등가회로에서는 ESD가 일어날 때 대전물체와 측 정계 사이에 발생하는 불꽃방전에 의한 열에너지와 빛에너지로 인해 소실되는 전하를 고려해서 인체의 등가커패시턴스를 30[pF]으로 설정하였다. C1 은 인체의 정전용량을 나타냈고 LI, Rl, C2는 각각 인체와 인체에 접촉한 물체의 인덕턴스와 저항, 커패시턴스 를 고려한 값이며 측정부의 C3와 R3는 각각 검출전 극과 외측 도체사이에 존재하는 정전용량과 검출임 피던스이다.
- 사람의 접촉에 의한 컴퓨터를 비롯한 초소형 전자 기기의 오동작이나 부품의 파손 등 정전기 장해의 방지대책의 마련을 위해 인체에 대전된 전하에 의한 정전기 방전전압을 측정하고, 이들 파형의 특성과 파라미터를 분석한 바 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 손에 물체를 쥐고 있을 때는 물체와 손 사이의 커패시턴스와 손에 쥔 물체의 인덕턴스 및 전기저항이 존재하므로 이를 고려해서 등가회로를 구성하였다. C1 은 인체의 정전용량, LI, Rl, C2는 각각 인체와 인체에 접촉한 물체의 인덕턴스와 저항, 커패시턴스 를 고려한 값이며, 측정부의 C3와 R3은 각각 검출전 극과 외측 도체사이에 존재하는 정전용량과 검출임 피던스를 나타낸다.
- 즉, 주파 수대역이 DC~400險]인 과도전압측정기를 이용하여 실제로 발생빈도가 높은 인간의 행동조건을 모의해서 정전기 방전에 의해서 발생하는 고속과도전압과 전류 파형을 측정하였다. 여러가지 실험조건에 대한 정전기 방전의 시뮬레이션 등가모델을 제시하였으며, 측정된 정전기 방전에 의한 고속과도전압 파형의 특성과 파라미터를 분석하였다.
- 겨울철에 사람이 컴퓨터의 키보드를 접촉한 경우 정전기 방전에 의해서 시스템이 다운되는 경우가 있으며, 자동차의 문을 열거나 철제 의자 등을 접촉할 때 따끔한 정전기 방전을 일으켜 기분이 좋지 않은 경우가 있다. 일상생활 공간에서 인체이 흔히 일어나 는 정전기 방전전압을 측정하고 특성을 분석하기 위하여 다음의 여러가지 모의조건에서 실험하였다.
- 일상의 생활환경 및 의복착용과 활동 그대로를 최대한 모의하였으며, 정전기가 많이 발생하는 털옷, 나일론, 모직의 의북을 입고, 구두를 착용하고 활발하게 움직인 후 정전기 방전전압을 측정하였다. 각각의 실험조건에서 30회씩의 정전기 방전전압을 측정하고, 피크값과 상승시간 등의 파형 파라미터를 분석하였다.
- 정전기 방전전압 파형의 피크값과 상승시간을 통계적으로 분석하였다. 각 실험조건에서 30회씩의 방 전전압과 전류 파형을 측정하였으며, 피크값과 상승 시간의 평균값의 분포를 그림 5에 나타내었다.
- 본 연구에서는 인체에 대전된 정전기에 의해서 발생하는 ESD에 대한 효과적인 보호대책의 수립에 필요한 위한 기초자료를 얻기 위하여 정전기 방전전압 과 전류의 특성을 분석하였다. 즉, 전자기기의 정전 기 장해를 방지할 수 있는 보호장치의 설계에 있어 핵심적 요소인 정전기 방전전압의 크기와 상승시간의 통계적 분석을 중점적으로 연구하였다. 즉, 주파 수대역이 DC~400險]인 과도전압측정기를 이용하여 실제로 발생빈도가 높은 인간의 행동조건을 모의해서 정전기 방전에 의해서 발생하는 고속과도전압과 전류 파형을 측정하였다.
- 즉, 전자기기의 정전 기 장해를 방지할 수 있는 보호장치의 설계에 있어 핵심적 요소인 정전기 방전전압의 크기와 상승시간의 통계적 분석을 중점적으로 연구하였다. 즉, 주파 수대역이 DC~400險]인 과도전압측정기를 이용하여 실제로 발생빈도가 높은 인간의 행동조건을 모의해서 정전기 방전에 의해서 발생하는 고속과도전압과 전류 파형을 측정하였다. 여러가지 실험조건에 대한 정전기 방전의 시뮬레이션 등가모델을 제시하였으며, 측정된 정전기 방전에 의한 고속과도전압 파형의 특성과 파라미터를 분석하였다.
대상 데이터
- 따라서 본 연구에서는 센서의 검출전극과 동축케 이블의 접속점 사이를 그림 1에 나타낸 바와 같은 원추형 동축구조로 하였으며, 검출임피던스는 오실로 스코프의 입력임피던스와 정합시킬 목적으로 50 [Q] 터미네이터를 사용하였으며, 측정계의 주파수대역은 DC~400[MHd이다. 또한 정전기 방전시 전하의 이동에 의한 전류를 측정하기 위해 검출임피던스의 리드선이 고주파용 변류기(CT-2)를 관통하도록 설치하였다.
성능/효과
- (1) 인체의 손의 직접 접촉에 의한 정전기 방전 전압의 크기는 1200[V] 이하로서 비교적 낮았으며, 상승 시간과 방전지속 시간은 길게 나타났다.
- (2) 각 실험조건에 대하여 제안된 등가회로를 이용한 이론적 계산 결과는 측정한 방전전압 파형과 거의 일치하였다.
- (3) 손에 쥔 금속펜이나 절연손잡이 드라이버를 통한 정전기 방전전압의 피크값은 1600~2000[V] 정 도로서 손의 직접접촉에 의한 값보다 높았으며, 상승 시간은 1~3[ns]범위로 대단히 짧았다.
- (4) 인체에 대전된 정전기 방전전압은 바닥재질의 절연상태보다는 접촉조건(intruder) 즉, 손에 쥔 금속 물체의 종류와 형상 및 접근속도의 영향이 현저함이 밝혀졌다.
- C1 은 인체의 정전용량을 나타냈고 LI, Rl, C2는 각각 인체와 인체에 접촉한 물체의 인덕턴스와 저항, 커패시턴스 를 고려한 값이며 측정부의 C3와 R3는 각각 검출전 극과 외측 도체사이에 존재하는 정전용량과 검출임 피던스이다.[9~ 11] 인체의 등가모델에서 전압 파형 의 느린 상승시간은 L1 값에 의하여 결정되고, C2와 R1은 급준성 펄스파의 지속시간을 결정짓는 요소로 작용함을 시뮬레이션을 통해 확인하였다. 그리고 시 뮬레이션결과는 파미부의 고주파 진동성분의 영향을 제외한 파형의 개략은 측정결과와 거의 유사하므로 등가회로에 대한 타당성을 알 수 있었다.
- 방전전압 파형의 상승시간은 바닥절연재의 종류에 대한 의존성은 적었으나 대전 물체의 검출전극으로의 접근속도의 영향이 크게 나타났다. 즉, 방전전압의 상승시간은 빠른 접근속도일 때는 1。~ 15[ns]의 분포이며, 느린 접근속도에서는 대략 25~35[ns]의 범위로 빠른 접근의 경우보다 약 2배정도 완만하게 상승하는 결과를 나타내었다.
- 정전기 방전전압의 파형은 전류 파형과 거의 동일한 형상을 나타내었으며, 이는 임피던스정합이 정확하게 이루어져 있음을 의미하며, 측정의 신뢰성이 대단히 우수함을 알 수 있다. 각 실험에서 대전된 물체가 측정장치로 빠르게 접근할 때 발생하는 정전기 방전전압 파형은 느리게 접근할 때와 비교하면 가파른 초기 급준성 단펄스이며, 상승시간이 짧은 특성을 나타내었다. 파두부가 비교적 완만하게 상승하고 파미부에 진동이 포함되어 있는 단펄스성의 전압 파형을 나타내었다.
- [9~ 11] 인체의 등가모델에서 전압 파형 의 느린 상승시간은 L1 값에 의하여 결정되고, C2와 R1은 급준성 펄스파의 지속시간을 결정짓는 요소로 작용함을 시뮬레이션을 통해 확인하였다. 그리고 시 뮬레이션결과는 파미부의 고주파 진동성분의 영향을 제외한 파형의 개략은 측정결과와 거의 유사하므로 등가회로에 대한 타당성을 알 수 있었다. 대전된 물체가 검출전극으로의 접근속도의 영향까지를 포함한 등가회로의 구현은 불가능하였으며, 앞으로 이에 대한 연구가 필요하다.
- 사람의 활동으로 인체에 대전된 전하가 사람이 다른 물건과 접촉하였을 때 방전되는 것을 모의한 조 건으로 인체의 손이 검출전극에 직접 접촉한 경우 정전기 방전전압과 전류 파형의 예를 그림 2에 나타내었다. 정전기 방전전압의 파형은 전류 파형과 거의 동일한 형상을 나타내었으며, 이는 임피던스정합이 정확하게 이루어져 있음을 의미하며, 측정의 신뢰성이 대단히 우수함을 알 수 있다. 각 실험에서 대전된 물체가 측정장치로 빠르게 접근할 때 발생하는 정전기 방전전압 파형은 느리게 접근할 때와 비교하면 가파른 초기 급준성 단펄스이며, 상승시간이 짧은 특성을 나타내었다.
후속연구
- 그리고 시 뮬레이션결과는 파미부의 고주파 진동성분의 영향을 제외한 파형의 개략은 측정결과와 거의 유사하므로 등가회로에 대한 타당성을 알 수 있었다. 대전된 물체가 검출전극으로의 접근속도의 영향까지를 포함한 등가회로의 구현은 불가능하였으며, 앞으로 이에 대한 연구가 필요하다.
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